راهنمای جامع انتخاب شیر برقی پنوماتیک (بررسی فرمان، سایز و ولتاژ)

راهنمای جامع انتخاب شیر برقی پنوماتیک: بررسی فرمان، سایز و ولتاژ

شیر برقی پنوماتیک (Pneumatic Solenoid Valve) قلب تپنده و مغز متفکر سیستم‌های اتوماسیون صنعتی مدرن است. این قطعه الکترومکانیکی حیاتی، با تبدیل یک سیگنال الکتریکی ضعیف به یک نیروی مکانیکی قدرتمند، وظیفه کنترل جریان هوای فشرده را بر عهده دارد. این کنترل، امکان مدیریت دقیق حرکت عملگرهایی مانند جک‌ها، سیلندرها و گریپرها را فراهم می‌کند. از خطوط مونتاژ رباتیک و تجهیزات پزشکی دقیق گرفته تا فرآیندهای سنگین در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، شیر برقی پنوماتیک نقشی غیرقابل جایگزین ایفا می‌کند.

اساس کار این شیرها بر یک اصل ساده استوار است: یک بوبین (Solenoid) که از سیم‌پیچ مسی تشکیل شده، با دریافت جریان الکتریکی، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. این میدان مغناطیسی، یک هسته فلزی متحرک (Plunger یا Armature) را جابجا کرده و این حرکت خطی، مستقیماً یا به صورت پیلوت (Pilot-Operated)، باعث تغییر وضعیت یک قطعه داخلی به نام اسپول (Spool) می‌شود. در نهایت، این جابجایی اسپول است که مسیرهای عبور هوای فشرده را باز، بسته یا هدایت مجدد می‌کند.

انتخاب صحیح شیر برقی پنوماتیک یک تصمیم فنی پیچیده است. برخلاف تصور عمومی، یک انتخاب اشتباه صرفاً منجر به عملکرد ضعیف نمی‌شود؛ بلکه می‌تواند باعث از کار افتادن خط تولید، هدررفت هنگفت انرژی، ایجاد خطرات ایمنی و آسیب جدی به تجهیزات گران‌قیمت شود.

این راهنمای جامع، به عنوان یک مرجع فنی کامل، سه پارامتر اساسی و تعیین‌کننده در انتخاب شیر برقی پنوماتیک را به صورت تخصصی تشریح می‌کند:

1. فرمان (Function): نوع شیر و نحوه کنترل جریان (مانند $5/2$ یا $3/2$).
2. سایز (Sizing): تناسب اندازه شیر با دبی مورد نیاز برای سرعت عملگر.
3. ولتاژ (Voltage): انتخاب منبع تغذیه بوبین (مانند 24VDC یا 220VAC) و پیامدهای آن.

بخش ۱: رمزگشایی فرمان شیر برقی (Valve Function)

اولین و مهم‌ترین پارامتر در انتخاب شیر، «فرمان» یا «عملکرد» آن است. این پارامتر با یک کسر عددی مانند $2/2$، $3/2$ یا $5/2$ نمایش داده می‌شود که درک آن کلید انتخاب صحیح است.

• عدد اول (صورت کسر): نشان‌دهنده تعداد پورت‌ها (Ports) یا مجراهای ورودی و خروجی هوا است.
• عدد دوم (مخرج کسر): نشان‌دهنده تعداد موقعیت‌ها (Positions) یا حالت‌های کاری شیر است که اسپول می‌تواند در آن قرار گیرد.

۱-۱: شیر برقی $2/2$ (دو پورت، دو موقعیت)

ساده‌ترین نوع شیر برقی، شیر $2/2$ است که دقیقاً مانند یک کلید قطع و وصل یا شیر آب اتوماتیک عمل می‌کند. این شیر دارای یک پورت ورودی و یک پورت خروجی است و تنها دو حالت دارد: باز (Open) یا بسته (Closed).

• کاربرد اصلی: قطع و وصل کامل جریان سیال (هوا، آب، گاز، روغن) در یک خط لوله.

مهم‌ترین فاکتور در انتخاب شیر $2/2$، حالت آن در زمان بی برقی یا «Fail-Safe» است:

۱. نرمالی کلوز (Normally Closed – NC):

این حالت، رایج‌ترین و پرکاربردترین نوع است (بیش از ۹۰٪ کاربردها). در حالت عادی (بدون برق)، مسیر جریان بسته است. با اعمال برق به بوبین، شیر باز شده و جریان عبور می‌کند.

• مثال: شیر آب برقی ماشین لباسشویی یا شیرهای ایمنی که در صورت قطع برق باید مسیر گاز را ببندند.

۲. نرمالی اُپن (Normally Open – NO):

این شیر در حالت عادی (بدون برق) باز است و جریان عبور می‌کند. با اعمال برق به بوبین، مسیر جریان بسته می‌شود.

• مثال: سیستم‌های خنک‌کاری یا تخلیه (Venting) که در صورت قطع برق باید به کار خود ادامه دهند.

۱-۲: شیر برقی $3/2$ (سه پورت، دو موقعیت)

شیر $3/2$ دارای سه پورت و دو موقعیت است و وظیفه اصلی آن، کنترل «جک‌های یک‌طرفه» (Single-Acting Cylinders) است. جک یک‌طرفه، جکی است که با نیروی هوا به یک سمت حرکت کرده (مثلاً باز می‌شود) و با نیروی یک فنر داخلی به حالت اولیه بازمی‌گردد.

• پورت‌ها: ۱ (ورودی هوای فشرده)، ۲ (خروجی به سمت جک)، ۳ (تخلیه یا اگزوز).
• عملکرد (در حالت NC):
  • حالت بی برقی: پورت ۱ (ورودی) بسته است. پورت ۲ (جک) به پورت ۳ (تخلیه) متصل است. این کار هوای پشت پیستون را تخلیه کرده و اجازه می‌دهد فنر، جک را به عقب براند (حالت جمع).
  • حالت با برق: پورت ۱ به پورت ۲ متصل می‌شود و هوای فشرده جک را باز می‌کند. پورت ۳ (تخلیه) مسدود می‌شود.

شیرهای $3/2$ نیز در دو حالت NC (استاندارد) و NO موجود هستند.

۱-۳: شیر برقی $5/2$ (پنج پورت، دو موقعیت)

این شیر، پرمصرف‌ترین و مهم‌ترین شیر در اتوماسیون صنعتی برای کنترل جهت است. وظیفه اصلی شیر $5/2$، کنترل «جک‌های دوطرفه» (Double-Acting Cylinders) است. جک دوطرفه، جکی است که هم برای حرکت رفت (باز شدن) و هم برای حرکت برگشت (بسته شدن) به نیروی هوای فشرده نیاز دارد.

• پورت‌ها: ۱ (ورودی)، ۲ و ۴ (خروجی به دو سمت جک)، ۳ و ۵ (تخلیه‌های متناظر با ۲ و ۴).
• عملکرد:
  • موقعیت اول: پورت ۱ به ۴ متصل است (جک باز می‌شود) و همزمان پورت ۲ به ۳ متصل است (هوای پشت جک تخلیه می‌شود).
  • موقعیت دوم: پورت ۱ به ۲ متصل است (جک بسته می‌شود) و همزمان پورت ۴ به ۵ متصل است (هوای جلوی جک تخلیه می‌شود).

در انتخاب شیر $5/2$، یک تصمیم‌گیری حیاتی دیگر وجود دارد: تک بوبین یا دو بوبین؟

۱. شیر $5/2$ تک بوبین (Mono-stable):

این شیر دارای یک بوبین در یک سمت و یک فنر در سمت دیگر است.

• عملکرد: تا زمانی که بوبین برق‌دار است، شیر در یک موقعیت قرار دارد. به محض قطع شدن برق، فنر، اسپول را به حالت اولیه بازمی‌گرداند.
• کاربرد: سیستم‌های ایمن (Fail-Safe). زمانی که در صورت قطع برق، جک باید * الزاماً* به یک موقعیت مشخص (مثلاً حالت جمع) بازگردد.

۲. شیر $5/2$ دو بوبین (Bi-stable):

این شیر دارای دو بوبین در دو طرف و فاقد فنر است.

• عملکرد: با اعمال یک پالس (لحظه‌ای) برق به بوبین A، شیر به موقعیت A تغییر وضعیت می‌دهد و حتی پس از قطع برق در همان حالت باقی می‌ماند. برای تغییر وضعیت، باید یک پالس برق به بوبین B اعمال شود.
• کاربرد: سیستم‌های دارای حافظه (Memory Function). زمانی که در صورت قطع برق، جک باید آخرین موقعیت خود را حفظ کند. این شیرها همچنین مصرف انرژی کمتری دارند، زیرا برای ماندن در یک حالت نیاز به برق دائم ندارند (فقط یک پالس کافی است).

۱-۴: شیر برقی $5/3$ (پنج پورت، سه موقعیت)

شیرهای $5/3$، شیرهای تخصصی دو بوبین هستند که علاوه بر دو موقعیت کاری، دارای یک «موقعیت وسط» خنثی (Neutral Position) هستند. این شیرها زمانی استفاده می‌شوند که نیاز به توقف جک در نقطه‌ای در وسط کورس حرکتی آن باشد.

هر سه نوع شیر $5/3$ در حالت بی برقی (قطع برق هر دو بوبین) به حالت وسط فنری خود بازمی‌گردند. تفاوت آن‌ها در عملکرد همین حالت وسط است:

• وسط بسته (Center Closed – G, C): در حالت وسط، هر ۵ پورت مسدود هستند. این کار جک را در هر موقعیتی که هست، «قفل» می‌کند (البته به دلیل نشتی‌های جزئی هوا، این قفل در طولانی مدت دقیق نیست).
• وسط باز (Center Exhaust – E): در حالت وسط، پورت ۱ (ورودی) بسته است و هر دو پورت خروجی (۲ و ۴) به اگزوز (۳ و ۵) متصل می‌شوند. این کار جک را در حالت «شناور» (Float) قرار می‌دهد و می‌توان آن را با دست جابجا کرد.
• وسط فشار (Center Pressure – P, B): در حالت وسط، پورت ۱ (ورودی) به هر دو خروجی (۲ و ۴) متصل است. این کار باعث می‌شود به دو طرف پیستون فشار وارد شود (کاربردهای خاص).

بخش ۲: انتخاب سایز شیر (Valve Sizing)

یکی از بزرگترین و پرهزینه‌ترین اشتباهات در انتخاب شیر پنوماتیک، تمرکز بر «سایز پورت» به جای «دبی عبوری» است.

۲-۱: تله سایز پورت (Port Size)

سایز پورت (مانند 1/8, 1/4, 1/2 اینچ) صرفاً یک مشخصه فیزیکی برای انتخاب نوع اتصالات و فیتینگ‌ها است و هیچ تضمینی در مورد عملکرد شیر ارائه نمی‌دهد. یک شیر $1/4$ اینچ با طراحی مهندسی پیشرفته و اوریفیس (Orifice) داخلی بزرگ، می‌تواند دبی هوای بیشتری را نسبت به یک شیر $1/2$ اینچ با طراحی ضعیف عبور دهد.

۲-۲: شاخص صحیح: ضریب جریان (Cv یا Kv)

تنها راه مهندسی و صحیح برای ارزیابی ظرفیت عبور هوای یک شیر، استفاده از «ضریب جریان» یا $Cv$ (و معادل متریک آن $Kv$) است.

• $Cv$ (Flow Coefficient): یک واحد استاندارد که نشان می‌دهد چه مقدار سیال (بر حسب گالن آمریکایی آب در دقیقه) در دمای ۶۰ درجه فارنهایت، با افت فشار ۱ پوند بر اینچ مربع ($PSI$) می‌تواند از شیر عبور کند.
• $Kv$ (Flow Coefficient): معادل متریک $Cv$ که بر اساس متر مکعب بر ساعت ($m^3/h$) آب با افت فشار ۱ بار ($bar$) تعریف می‌شود.

قانون کلی: هرچه $Cv$ یا $Kv$ یک شیر بالاتر باشد، ظرفیت عبور هوای آن بیشتر است و در نتیجه، می‌تواند یک جک یا سیلندر را سریع‌تر به حرکت درآورد.

۲-۳: فرآیند مهندسی انتخاب سایز

برای انتخاب صحیح سایز شیر، باید از انتها به ابتدا حرکت کرد:

1. تعیین نیاز سیستم: ابتدا باید مشخص کنید سیلندر پنوماتیک (با قطر پیستون $A$ و طول کورس $S$) باید در چه مدت زمانی ($t$) حرکت کند.
2. محاسبه دبی مورد نیاز (Flow Rate): بر اساس حجم سیلندر ($A \times S$) و زمان ($t$)، دبی هوای مورد نیاز (مثلاً بر حسب $SCFM$ یا $l/min$) محاسبه می‌شود.
3. انتخاب $Cv$: در نهایت، شیری انتخاب می‌شود که $Cv$ آن توانایی تأمین این دبی محاسبه شده را در فشار کاری سیستم داشته باشد.

عواقب انتخاب سایز اشتباه:

• انتخاب شیر با $Cv$ کوچکتر از حد (Undersized): رایج‌ترین اشتباه. منجر به حرکت آهسته، کُند و ضعیف سیلندر می‌شود، حتی اگر فشار کمپرسور بالا باشد. این امر باعث کاهش راندمان و سرعت کل خط تولید می‌شود.
• انتخاب شیر با $Cv$ بزرگتر از حد (Oversized): علاوه بر هزینه اولیه بیشتر، باعث مصرف بی‌رویه و هدررفت هوای فشرده (که یکی از گران‌ترین حامل‌های انرژی در صنعت است) می‌شود. همچنین حرکت ناگهانی و پرشتاب سیلندر می‌تواند باعث ایجاد ضربه (Shock) و آسیب به قطعات مکانیکی گردد.

بخش ۳: انتخاب ولتاژ بوبین (Voltage)

پس از تعیین نوع فرمان و سایز، باید ولتاژ بوبین (Solenoid Coil) را انتخاب کنید. بوبین، سیم‌پیچی است که با دریافت برق، شیر را فعال می‌کند.

۳-۱: ولتاژهای استاندارد

ولتاژهای رایج در صنعت عبارتند از:

• DC (جریان مستقیم): 24VDC (استاندارد طلایی اتوماسیون)، 12VDC
• AC (جریان متناوب): 220VAC (برق شهر)، 110VAC

۳-۲: دوئل 24VDC در برابر 220VAC (چرا DC برنده است)

در سیستم‌های اتوماسیون مدرن، انتخاب 24VDC تنها گزینه منطقی و مهندسی است، در حالی که 220VAC به عنوان یک گزینه منسوخ و پرخطر (مگر برای تعویض قطعات قدیمی) شناخته می‌شود. دلایل این برتری فنی، ایمنی و اطمینان‌پذیری بسیار حیاتی است:

۱. ایمنی (Safety):

ولتاژ 24VDC به عنوان ولتاژ ایمن یا $SELV$ (Safety Extra-Low Voltage) شناخته می‌شود. تماس اپراتور با این ولتاژ کشنده نیست و ریسک شوک الکتریکی بسیار پایینی دارد. در مقابل، 220VAC ولتاژ بالایی محسوب شده و خطر برق‌گرفتگی جدی و مرگبار به همراه دارد.

۲. سازگاری با $PLC$ (PLC Compatibility):

مغز تمام سیستم‌های اتوماسیون مدرن، کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر ($PLC$) است. کارت‌های خروجی دیجیتال ($DO$) در تمام $PLC$ های استاندارد جهانی (مانند زیمنس، آلن بردلی، امرن و…) برای کار با ولتاژ 24VDC طراحی شده‌اند.

• در سیستم 24VDC: خروجی $PLC$ مستقیماً و با یک سیم‌کشی ساده و ایمن به بوبین 24VDC شیر متصل می‌شود.
• در سیستم 220VAC: $PLC$ (که 24VDC است) نمی‌تواند مستقیماً شیر 220VAC را فعال کند. در این حالت، خروجی $PLC$ باید یک «رله» یا «کنتاکتور» میانی را فعال کند و سپس آن رله، برق خطرناک 220VAC را به سمت شیر سوئیچ کند. این کار هزینه، پیچیدگی، یک نقطه ضعف (خرابی رله) و خطر کشیدن برق فشار قوی در تابلوی کنترل را اضافه می‌کند.

۳. اطمینان‌پذیری و ریسک سوختن (Reliability):

این مهم‌ترین تفاوت فنی است. بوبین‌های AC و DC رفتار الکتریکی کاملاً متفاوتی دارند:

• بوبین 220VAC: دارای «جریان راه‌اندازی» (Inrush Current) بالایی است. مقاومت الکتریکی (امپدانس) آن زمانی که هسته (Plunger) باز است، بسیار کم است (جریان بالا می‌کشد) و وقتی هسته بسته می‌شود، امپدانس بالا رفته و جریان کاهش می‌یابد. نقطه ضعف: اگر به هر دلیلی (مانند ورود کثیفی، افت فشار پیلوت یا سایش مکانیکی) هسته در جای خود ننشیند یا «گیر کند» (Jam)، بوبین در حالت جریان بالای دائمی باقی مانده، به سرعت داغ شده و می‌سوزد. این، دلیل شماره یک سوختن بوبین‌های AC است.
• بوبین 24VDC: جریان راه‌اندازی ندارد. مقاومت آن (بر اساس قانون اهم $I=V/R$) ثابت است. نقطه قوت: اگر هسته این شیر گیر کند، بوبین 24VDC به سادگی همان جریان عادی و پایین خود را می‌کشد، داغ نمی‌شود و نمی‌سوزد.

۳-۳: ملاحظات ویژه: توان و محیط‌های انفجاری (Ex)

توان مصرفی (Power Consumption):

هر بوبین، توانی (بر حسب وات $W$ برای DC یا ولت-آمپر $VA$ برای AC) مصرف می‌کند. هنگام طراحی سیستم، باید مجموع توان تمام شیرهایی که همزمان روشن می‌شوند، محاسبه گردد تا اطمینان حاصل شود منبع تغذیه $PLC$ توانایی تأمین این جریان را دارد.

محیط‌های خطرناک (Hazardous Areas – ATEX/Ex):

در صنایعی مانند نفت، گاز، پتروشیمی، پالایشگاه‌ها و معادن، گازهای قابل اشتعال در محیط وجود دارد. در این شرایط، یک بوبین استاندارد هنگام قطع و وصل شدن، یک «جرقه» (Arc) الکتریکی کوچک ایجاد می‌کند. این جرقه در یک محیط قابل اشتعال می‌تواند منجر به انفجار فاجعه‌بار شود.

برای این کاربردها، استفاده از شیرهای معمولی مطلقاً ممنوع است و باید الزاماً از شیرهایی با بوبین ضد انفجار (Explosion-Proof) یا $Ex$ استفاده کرد. در این بوبین‌ها، سیم‌پیچ به طور کامل با اپوکسی مهر و موم شده (Potted) یا در یک محفظه ضد شعله قرار می‌گیرد تا از رسیدن هرگونه جرقه به محیط بیرون جلوگیری شود. برندهایی مانند ASCO (که در نمونه محصول کاربر ذکر شد)، BIFOLD و Norgren در این حوزه پیشرو هستند.

بخش ۴: راهنمای انتخاب عملی و نتیجه‌گیری

۴-۱: چک‌لیست ۱۰ مرحله‌ای انتخاب شیر برقی

قبل از تماس با تأمین‌کننده یا خرید، پاسخ این ۱۰ سوال را آماده کنید تا از انتخاب دقیق و مهندسی اطمینان حاصل نمایید:

1. کاربرد چیست؟ (کنترل جک یک‌طرفه، جک دوطرفه، یا فقط قطع و وصل جریان؟)
2. نوع شیر مورد نیاز؟ ($3/2$, $5/2$, $5/3$, $2/2$؟)
3. نوع تحریک؟ (تک بوبین یا دو بوبین؟)
4. حالت Fail-Safe؟ (در قطع برق چه اتفاقی باید بیفتد؟ NC, NO یا نوع حالت وسط $5/3$؟)
5. سرعت مورد نیاز؟ ($Cv$ یا $Kv$ مورد نیاز چقدر است؟ یا ابعاد جک و زمان حرکت مطلوب چیست؟)
6. ولتاژ سیستم؟ (24VDC برای سیستم‌های جدید $PLC$ محور، یا ولتاژ دیگر برای تعویض؟)
7. فشار کاری؟ (حداقل و حداکثر فشار ($bar$/$psi$) سیستم چقدر است؟)
8. سیال (Media) چیست؟ (هوای فشرده تمیز، یا سیال دیگری مانند آب، روغن یا گاز؟)
9. جنس بدنه و آب‌بندها؟ (آلومینیوم استاندارد، یا برنج و فولاد ضد زنگ برای محیط‌های خاص؟ آب‌بند $NBR$ یا $FKM (Viton)$ برای دمای بالا؟)
10. محیط کاری؟ (محیط تمیز کارخانه، یا محیط مرطوب، خورنده یا انفجاری ($Ex$)؟)

۴-۲: برندهای شاخص در صنعت پنوماتیک

بازار پنوماتیک توسط برندهای معتبری تعریف می‌شود که هرکدام در حوزه‌ای خاص سرآمد هستند:

• ASCO (آسکو): پیشرو جهانی در شیرهای برقی فرآیند (Process Valves)، کنترل سیالات و به طور ویژه، شیرهای ضد انفجار ($Ex$) برای صنایع سنگین.
• Festo (فستو) و SMC (اس ام سی): غول‌های اتوماسیون کارخانه‌ای، شناخته‌شده برای شیرهای کامپکت، ماژولار (شیر جزیره‌ای)، سرعت بالا و قابلیت اطمینان فوق‌العاده.
• Norgren (نورگرن) و Parker (پارکر): ارائه‌دهندگان راه‌حل‌های پنوماتیک صنعتی سنگین (Heavy-Duty) و مقاوم برای محیط‌های کاری سخت.
• BIFOLD (بیفولد): متخصص در شیرهای فولاد ضد زنگ (Stainless Steel) با فشار بالا، به طور خاص برای صنعت نفت و گاز (Offshore/Onshore).
• MAC (مک): مشهور به طراحی‌های نوآورانه و شیرهایی با سرعت واکنش (Response Time) بسیار بالا و عمر کاری طولانی.
• Airtac (ایرتک)، XCPC (ایکسی پیسی) و…: گزینه‌های بسیار قوی و مقرون‌به‌صرفه برای کاربردهای اتوماسیون استاندارد با کیفیت قابل اعتماد.

۴-۳: نتیجه‌گیری: انتخاب شیر، یک تصمیم مهندسی است

انتخاب شیر برقی پنوماتیک، فراتر از خرید یک قطعه ساده، یک تصمیم طراحی مهندسی است که مستقیماً بر ایمنی، راندمان و پایداری سیستم شما تأثیر می‌گذارد. همانطور که این راهنما نشان داد، پارامترهایی مانند نوع فرمان ($5/2$ در برابر $5/3$)، تفاوت بین تک بوبین و دو بوبین (Fail-Safe در برابر Memory) و انتخاب حیاتی ولتاژ (24VDC در برابر 220VAC) پیامدهای عمیقی بر عملکرد و طول عمر سیستم دارند.

یک تامین‌کننده تجهیزات صنعتی (مانند فروشگاه صدساله) نه تنها یک فروشنده، بلکه باید یک شریک فنی باشد که پیچیدگی‌های این انتخاب‌ها را درک کند. با استفاده از این راهنما، شما مجهز به دانش لازم برای انتخاب آگاهانه هستید.

برای مشاهده و بررسی دقیق مشخصات فنی، به دسته‌بندی‌های تخصصی شیر برقی پنوماتیک، شیر برقی 5/2 و مراجعه کنید، یا برای مشاوره مهندسی و انتخاب دقیق $Cv$ متناسب با کاربردتان، با تیم فنی ما تماس حاصل فرمایید.